一种钛合金非连续加强结构空心支板及其超塑扩散连接模具

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，具体是一种钛合金非连续加强结构空心支板超塑扩散连接模具的结构设计。

背景技术

非连续加强筋结构空心支板(如图1)是航空发动机上用于连接分流内外环用的一个钛合金封闭型薄壁组件零件，如图1中左图所示，空心支板的封闭腔体内有两处加强筋(图1中虚线位置)，这两处加强筋是不连续的，每一条加强筋的两端都没有完整延伸到空心支板的两端，而是缺失了一段长度。空心支板采用的加工方法为超塑成形扩散连接。

根据支板组合结构的工艺特性，需要设计一种可以挤压板材、密封及控制型面轮廓尺寸的超塑扩散连接模具，兼备扩散焊和超塑连接功能。

超塑扩散连接为高温、真空及充气等条件下的加工方法，所设计的模具要求能够承受高温高压，密封性好，工作可靠稳定，所以模具的结构设计还需要保证支板零件的定位，加强筋的支承以及支板壁面的压紧控制，以实现扩散连接部位的真空密封要求，并保证零件的扩散连接质量及超塑成形后型面的尺寸和轮廓图要求。

常规的空心支板为三层或四层板材结构，因此超塑扩散连接结构包括三层、四层结构，且都是板料连续状态下的组合，其超塑和扩散连接的模具设计都比较容易，扩散连接时通常是在多层板料的平面状态下涂敷阻焊剂，通过气压或平面压紧，无需考虑过多的结构来实现。超塑成形是通过不同时段在不同的层间通入氩气来使壁面贴合模具表面获得零件外形面，内部加强筋的超塑成形是通过板料的壁面移动来形成所需的位置和形状。作为比较，图1中的非连续加强筋结构空心支板是单层板材结构，支板壁(图4)和加强筋(图5)分别单独成形，然后再进行扩散焊使得二者连接成一体，最后通过超塑连接实现支板壁型面尺寸的精确成型。

但是，如图1中左图所示，非连续加强筋由于加强筋的两端头部为部分形状，只有一段轮廓，无法实现整体密封性的气压扩散焊接，需要采用刚性施压来实现扩散焊接过程，模具还需要满足超塑成形的密封和气压成形的工艺状态，所以，需要设计一种能够满足高温状态下扩散连接，超塑成形的耐高温组合结构模具，该模具要能够耐高温烧蚀，型面不变形，扩散压紧稳定可靠，超塑扩散时零件密封性好，测温准确，安装使用方便，为此提出一种组合时超塑成形扩散连接模具结构，有效解决了薄壁钛合金非连续加强筋多层支板类零件的技术需求。

发明内容

本发明旨在提供一种钛合金非连续加强结构空心支板及其超塑扩散连接模具，实现多工序高温下超塑成形及扩散连接的模具结构设计，可满足弧面结构的固定挤压，结构简单，操作方便，稳定可靠，超塑成形扩散连接件质量良好，有效解决非连续加强结构空心支板的加工问题。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种薄壁钛合金非连续加强结构空心支板，包括，

支板壁，一块钛合金薄板弯曲对折后两端对接形成所述支板壁，闭合的支板壁内部构成一个周向封闭、两端敞口的支板腔体，支板壁的外形包括前缘圆弧段、中间平滑过渡段和尾缘叶形流线段；

加强筋，至少两块所述加强筋间隔分布在支板腔体内形成非连续加强结构，加强筋宽度方向的两端分别与支板壁内表面连接，加强筋长度方向的两端与支板腔体的两个敞口端均不接触，加强筋高度方向的两端与支板壁前缘圆弧段末端和尾缘叶形流线段末端均不接触，加强筋为钛合金材质。

作为一种选择，所述加强筋为槽形结构，槽形结构的两条侧边与支板壁内表面连接。

作为一种选择，加强筋有两块，两块所述加强筋分别设置在前缘圆弧段与中间平滑过渡段的交界处，以及中间平滑过渡段与尾缘叶形流线段的交界处。

一种钛合金非连续加强结构空心支板超塑扩散连接模具，包括，

下模，所述下模的上表面上含有用于成型空心支板部分外型面的第一成型面；

上模，所述上模的下表面上含有用于成型空心支板部分外型面的第二成型面，第二成型面和第一成型面组成空心支板的完整外型面；

芯模，所述芯模的外形轮廓与支板壁内轮廓一致，芯模上开有安装加强筋的定位槽；

支承上型块，所述支承上型块可拆卸连接在上模的第二成型面上，且支承上型块上包含与加强筋数量一致、分布位置一致的上支承凸起，上支承凸起末端的表面形状与加强筋跟支板壁连接位置的支板壁外型面相同；

支承下型块，所述支承下型块可拆卸连接在下模的第一成型面上，且支承下型块上包含与加强筋数量一致、分布位置一致的下支承凸起，下支承凸起末端的表面形状与加强筋跟支板壁连接位置的支板壁外型面相同。

进一步，所述下模和上模中的至少一个模具表面开有通气管凹槽。

作为一种选择，所述第一成型面和第二成型面分别对应钛合金非连续加强结构空心支板沿中间平分面划分出的两个外型面。

作为一种选择，所述下模的上表面除第一成型面外其余部分为平面，所述上模的下表面除第二成型面外其余部分为平面。

作为一种选择，所述支承上型块通过螺栓可拆卸连接在上模上，且螺栓连接位置位于非第二成型面区域，所述支承下型块通过螺栓可拆卸连接在下模上，且螺栓连接位置位于非第一成型面区域。

作为一种选择，所述下模、上模、芯模、支承上型块和支承下型块均为耐高温不锈钢。

作为一种选择，所述下模和上模对应支板壁前缘圆弧段分型面处为尖边；所述下模和上模对应支板壁两端敞口处为垂直壁面。

现有的一种空心支板加工是将空心支板沿平分面分成单瓣，采用热成形方式加工，所用模具为上凸下凹的压型结构，成形后零件型面回弹严重，需要多次校型，然后再将两瓣和中间加强筋组合后采用氩弧焊焊接，焊后支板壁面存在焊接变形而且无法修形校正，支板的变形严重，影响机匣焊接的焊缝质量，导致机匣变形严重。而另一种思路是采用三层或四层板材超塑成形，但是这种方式一方面由于多层结构的连接处超塑成形容易凹陷，另一方面增加了支板的重量。

本发明设计空心支板重量轻、结构刚性强，支板腔体空间规则，同时，本发明设计的超塑扩散连接模具在一套模具上实现了空心支板的扩散连接和超塑成形功能，只需简单拆卸支承型块即可在两种加工方式之间切换。模具中心设计了带弧形的分瓣支承块(支承下型块和支承上型块)和芯模，并将芯模置于支板内部，芯模弧形表面与支板内型面相应位置一致，芯模中间按加强筋的位置分布设置有定位槽，保证不同加强筋准确定位，既实现了扩散焊支承，又保证加强筋位置定位准确。

本发明的模具在扩散焊时精确定位加强筋和支板壁，确保加强筋在不连续分布的情况下能够正确连接，模具密封性好。

本发明的模具在精确成形方面由于采用了气压成形，无需凸型模具挤压，零件能很好地贴合模具凹形型面，实现支板的高精度加工要求，型面轮廓尺寸精确，流线形状好。

附图说明

图1是非连续加强结构空心支板零件图；

图2是带有支承下型块和支承上型块的超塑扩散连接模具图；

图3是带有支承下型块和支承上型块的超塑扩散连接模具垂直于非连续加强结构空心支板轴线方向的剖面图；

图4是扩散焊前非连续加强结构空心支板预成形结构图；

图5是加强筋结构图；

图6是下模结构图；

图7是支承下型块示意图；

图8是芯模结构示意图；

图9是挡板结构示意图；

图10是支承上型块示意图；

图11是上模结构图；

图12是定位块示意图；

图13是非连续加强结构空心支板中支板壁与加强筋连接示意图；

图14是超塑扩散连接模具分别处于扩散焊和超塑连接过程的状态示意图；

图15是超塑扩散连接模具中垂直壁面设计示意图；

图中，1-下模，2-支承下型块，3-芯模，4-挡板，5-支承上型块，6-上模，7-定位块，8-芯轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。

需要说明的是，如图1中左图所示，非连续加强是指两条加强筋与支板壁连接的区域(图5中加强筋的两条侧边，对应图1中左图的虚线区域)在长度方向既没有延伸到左端支板敞口处，也没有延伸到右端支板敞口处，高度方向既没有延伸到前缘圆弧段末端(图1中右图支板壁最下端)，也没有延伸到尾缘叶形流线段末端(图1中右图支板壁最上端)，而是一个与支板边缘轮廓相对孤立的局部区域，这种非连续的加强筋导致在扩散焊接时整体密封困难、定位困难。

非连续加强结构空心支板的加工需要高温、高压、真空和充氩气施压等条件来完成，所以模具选用需要耐高温材料，并考虑高温状态和低温状态下零件型面变化收缩量，鉴于零件轮廓尺寸随温差变化与公差要求相比影响很小，模具工作型面按照零件的型面轮廓设计即可满足要求。

作为空心结构，加强筋需要与支板壁面连接，基于支板壁对加强筋的位置不同，且连接处的型面为小曲率弧面状态，因此需要设计一个可精确定位的支承结构，保证加强筋与支板壁面的贴合，以实现扩散焊连接的准确挤压。

本发明中的模具采用耐高温材料不锈钢作为模具型面及基体材料，以解决高温状态下模具材料氧化和强度弱化等方面带来的型面尺寸方面的控制问题。从空心支板焊接及成形工艺方面研究，结合零件的封闭型结构，考虑到加工的可操作性，空心支板外形的模具型面采用空心支板最大尺寸处(图1、图4和图13中点划线处为最大尺寸)分型处理，方便加工前、后零件的放置和取出，如图14中箭头所指位置，模具上对应支板壁头部(前缘圆弧段)分型处保证尖边(即不采用圆弧倒角过渡)，避免支板壁圆弧面出现凸起。如图15中箭头所指位置，为保证成形过程中的密封可靠性，在模具对应支板壁两侧敞口处外侧设计出垂直壁面，作为超塑连接过程中支板端面的支承，并在模具对应支板壁最大尺寸处(平分面)设计通气管形状的凹槽，既方便安置通气管路，又保证支板壁敞口端面的密封支承要求。

如图2、图3和图14，模具的结构设计考虑扩散焊和超塑连接两个加工工序，为实现两种加工在同一套模具上实施，需要设计部分结构为组合结构，即在不同工序上可拆卸。

超塑连接工作状态下的模具结构设计：

模具由上模6(如图11)和下模1(如图6)组成，在上模6下表面和下模1上表面中间部位设计有与支板外型面一致的形状作为成型面，用于超塑时支板壁壁面贴合从而获得符合支板型面的形状，上模1和下模6的分型面以空心支板中间最大尺寸处为界，在上模1和下模6型腔满足空心支板长度的范围内保持一致的型面，其余四周为平面，以保证合模状态下空心支板形状的尺寸控制，在模具左、右两边(对应支板壁敞口的两端)分别开出用于输送氩气的管子形状的凹槽，便于通气管的安装。

扩散焊连接状态下的模具结构设计：

扩散焊连接需要真空状态下对加强筋和支板壁的连接面施加一定的压力，本发明的扩散压力是采用模具安装设备(压力机)的压力来实现，由于空心支板为中空结构，为实现支板壁和加强筋的连接处能获得压力，在空心支板的中空部位设计了一个芯模3，如图8，芯模3外型面与空心支板外型面一致，芯模3上按空心支板中的加强筋位置开出两个定位槽(图8中左侧开始向右延伸的槽口)，用于安装空心支板的加强筋。在模具的上模6的下型面和下模1的上型面上，各设计了一块两面都带型面的支承块，即支承下型块2(如图7，图中的点划线轮廓代表上模6和下模1的成型面，支承下型块2下方的两个凸起型面与下模1的成型面贴合，上方的两个凸起用于支承支板壁)和支承上型块5(如图10，图中的点划线轮廓代表上模6和下模1的成型面，支承上型块5上方的两个凸起与上模6的成型面贴合，下方的两个凸起压紧在支板壁表面)，支承下型块2和支承上型块5分别用螺栓连接在下模1和上模6上，螺栓孔位于上模6和下模1的非成型面工艺边上。

扩散焊前准备：

先将方形钛合金板材热弯成V形或U形，借助于支板状的芯模3压制成近似支板壁的毛坯件(如图4)，并将支板壁毛坯件的尾缘叶形流线段定位焊，将采用板材弯曲好的加强筋(如图5)安装在芯模3的定位槽内，再在支板壁两端敞口处焊接端盖封堵(此时芯模3仍然在支板壁毛坯件内)，端盖上焊接通气管，安装到模具内，此时，下模1和支承下型块2从支板壁毛坯下方支撑，上模6和支承上型块5从上方限制支板壁毛坯，芯轴8穿过芯模3上的圆孔并且两端分别落入定位块7(如图12)的凹槽中，挡板4(如图9)用于限制上模6和下模1的位置关系，然后抽真空，加热支板壁毛坯件和模具后在模具上施压来完成扩散焊。

超塑成形连接时，将模具中的支承下型块2和支承上型块5从下模1和上模6上拆除，扩散焊后的空心支板零件再次装入模具中(如图14，从左图的扩散焊切换到右图的超塑连接)，经通气管通入氩气，氩气将支板壁胀形到上模6和下模1的型面并贴合，实现零件的变形，获得空心支板最终的流线形形状和轮廓尺寸。然后按照图1中的外形进行切割，切割位置包括图1中左图左、右两侧的轮廓，以及图1中右图的尾缘叶形流线段轮廓。

本发明的说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。